面向時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的控制管理機(jī)制研究綜述

汪碩，尹淑文，盧華，張繼棟

（1. 北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876；2. 網(wǎng)絡(luò)通信與安全紫金山實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211111；3. 廣東省新一代通信與網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研究院，廣東 廣州 510663）

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的廣泛使用和信息化技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用對(duì)流量傳輸?shù)馁|(zhì)量要求越來越高，如工業(yè)控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療手術(shù)、自動(dòng)駕駛等應(yīng)用需要將端到端時(shí)延控制在10 ms以下，將抖動(dòng)控制在微秒級(jí)。工業(yè)4.0時(shí)代，人們期望智能化能夠取代的工作越來越精密，這就迫切需要將數(shù)據(jù)傳輸中的各種“不確定性”變?yōu)椤按_定性”。

而如今以統(tǒng)計(jì)復(fù)用和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)為基礎(chǔ)的“盡力而為”網(wǎng)絡(luò)仍然存在丟包與時(shí)延不確定的問題，當(dāng)前可以滿足傳輸時(shí)延確定性要求的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET、TTEthernet、EthernetCAT等無法互相兼容，難以實(shí)現(xiàn)互操作性[1]。

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN，time-sensitive network）的出現(xiàn)為滿足確定性低時(shí)延的傳輸以及互操作性提供了一種解決方案。它是一種基于以太網(wǎng)協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)，在提供低時(shí)延、低抖動(dòng)的端到端傳輸和保證帶寬能力的同時(shí)，給出了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、開放的二層，不僅改進(jìn)了互操作性，還能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與普通數(shù)據(jù)的共同傳輸。

留給ofo的時(shí)間已經(jīng)不多。11月14日，久未露面的戴威在已經(jīng)很久沒有舉行的ofo公司大會(huì)上表示：除了破產(chǎn)，其他都有可能。

近年來，IEEE 802.1工作組致力于時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化，發(fā)布了一系列的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。TSN已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)局域確定性網(wǎng)絡(luò)較成熟的技術(shù)。TSN旨在利用時(shí)分復(fù)用的思想，對(duì)不同需求的流量進(jìn)行優(yōu)先級(jí)劃分，并為較高優(yōu)先級(jí)流量提供確定的傳輸時(shí)隙與路徑，避免帶寬重疊和突發(fā)流量造成的重傳和分組丟失的影響，這種方法的實(shí)現(xiàn)需要對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的行為和資源進(jìn)行高效的控制管理。

2 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)控制管理標(biāo)準(zhǔn)

2.1 控制模型

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)[2]為時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)提供了3種控制配置模型，分別是完全分布式模型、集中式網(wǎng)絡(luò)/分布式用戶模型和完全集中式模型。

“其實(shí)，優(yōu)質(zhì)研究型人文醫(yī)院是為人文醫(yī)院加了‘優(yōu)質(zhì)’和‘研究型’兩個(gè)定語，意在使醫(yī)院的發(fā)展更加均衡，既強(qiáng)調(diào)技術(shù)、服務(wù)，又強(qiáng)調(diào)人文建設(shè)，強(qiáng)調(diào)規(guī)范，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新?！表n光曙推心置腹地說，這里包含了幾個(gè)概念思維，也寄予了醫(yī)院引領(lǐng)者的戰(zhàn)略思考。

（1）完全分布式模型

在完全分布式模型中，沒有一個(gè)集中式的網(wǎng)絡(luò)配置實(shí)體，用戶需求由終端設(shè)備通過TSN用戶協(xié)議直接與相連的交換機(jī)進(jìn)行交流傳達(dá)，交換機(jī)再通過協(xié)議在拓?fù)渲醒刂窂絺鞑SN用戶/網(wǎng)絡(luò)配置信息，交換機(jī)在傳播用戶需求的同時(shí)進(jìn)行資源管理，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 完全分布式模型結(jié)構(gòu)Figure 1 The structure of the fully distributed model

這種分布式模型能夠有效地保留高優(yōu)先級(jí)流量的帶寬，被廣泛地應(yīng)用在具有單向、單目標(biāo)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接屬性的音視頻流的傳播。但是這種局部管理受到交換機(jī)當(dāng)前所知道的信息量限制，并且當(dāng)消息突然增多時(shí)易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)崩潰，從而導(dǎo)致時(shí)間敏感流量無法忍受的時(shí)延。

SRP是運(yùn)行在分布式架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中的。流發(fā)送終端設(shè)備發(fā)出流預(yù)留申請(qǐng)聲明，該聲明沿著選擇出的路徑逐跳在沿途交換機(jī)中進(jìn)行注冊(cè)、更新聲明信息，并通過配置隊(duì)列和過濾庫來實(shí)現(xiàn)帶寬資源的預(yù)留。如果路徑中的所有交換機(jī)都有足夠的帶寬資源可以實(shí)現(xiàn)預(yù)留的情況，那么流接收設(shè)備則會(huì)接收到攜帶信息為預(yù)留成功的聲明，反之則會(huì)收到信息變?yōu)轭A(yù)留失敗的聲明，之后流接收終端設(shè)備發(fā)出預(yù)留結(jié)果聲明，并逐跳傳輸至發(fā)送設(shè)備。

（2）集中式網(wǎng)絡(luò)/分布式用戶模型

1.4.1 測(cè)量重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel（frep） 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法，同時(shí)稱取7份樣品進(jìn)行獨(dú)立測(cè)定，亞砷酸（三價(jià)砷）結(jié)果見表1。

集中式網(wǎng)絡(luò)/分布式用戶模型是完全分布式和集中式的中間狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。在傳達(dá)用戶需求上采用分布式的方法，即終端設(shè)備直接通過用戶網(wǎng)絡(luò)接口向相連的交換機(jī)傳達(dá)其需求，TSN用戶/網(wǎng)絡(luò)的配置信息則由與終端設(shè)備相連的交換機(jī)與集中式網(wǎng)絡(luò)配置（CNC，centralized network configuration）節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信傳播，不再傳播到拓?fù)鋬?nèi)部，TSN流的所有交換機(jī)配置也都是由CNC使用遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議來完成的。

圖2 集中式網(wǎng)絡(luò)/分布式用戶模型結(jié)構(gòu)Figure 2 The structure of the centralized network/distributed user model

這種模型將計(jì)算集中在單個(gè)設(shè)備上并且為計(jì)算提供網(wǎng)絡(luò)的全局視圖，相比于分布式模型，其更適用于最優(yōu)配置的實(shí)現(xiàn)和計(jì)算復(fù)雜的應(yīng)用，更有利于系統(tǒng)的運(yùn)行。

證法二：圖2，作AE⊥BC于E，DF⊥BC于F，利用平行四邊形的判定及性質(zhì)得到AE=DF，再利用全等三角形的判定“AAS”得到△AEB≌△DFC，從而得到AB=CD。

（3）完全集中式模型

完全集中式模型則通過一個(gè)集中用戶配置（CUC，centralized user configuration）節(jié)點(diǎn)與CNC之間交換用戶需求，用戶網(wǎng)絡(luò)接口在CUC與CNC之間，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。CUC與終端設(shè)備之間通過協(xié)議實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的發(fā)現(xiàn)、配置以及功能和需求的檢索。CNC使用遠(yuǎn)程管理來發(fā)現(xiàn)物理拓?fù)洌瑱z索交換機(jī)功能，并配置每個(gè)交換機(jī)的TSN功能。CUC從終端設(shè)備獲取需求，并將其傳達(dá)給CNC，CNC通過其了解到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)流的需求以及網(wǎng)絡(luò)資源和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，來計(jì)算出滿足整體傳輸要求的配置信息并下發(fā)給各個(gè)交換機(jī)。

從行政契約論的角度來看，納稅人與稅務(wù)機(jī)關(guān)之間達(dá)成的預(yù)約裁定類似于具有契約屬性的行政協(xié)議，此類協(xié)議與傳統(tǒng)的民事合同存在許多相似之處。可將納稅人申請(qǐng)預(yù)約裁定看作是要約，稅務(wù)機(jī)關(guān)作出裁定視為承諾，因此在稅務(wù)機(jī)關(guān)作出裁定之時(shí)合同便已成立。但需要注意的是，預(yù)約裁定更類似于附生效條件的民事合同，生效條件即為裁定中所約定的交易事項(xiàng)。只有當(dāng)納稅人按照約定事項(xiàng)進(jìn)行交易安排時(shí)，合同方才生效，生效的合同對(duì)于納稅人和稅務(wù)機(jī)關(guān)均產(chǎn)生約束力，稅務(wù)機(jī)關(guān)如若不按照裁定進(jìn)行征稅則構(gòu)成違約行為，違反了其因意思表示而為自身所設(shè)定的行政法上的意定義務(wù)。

圖3 完全集中式模型結(jié)構(gòu)Figure 3 The structure of the fully centralized model

IEEE 802.1 Qcc標(biāo)準(zhǔn)對(duì)SRP進(jìn)行了性能改進(jìn)，減小了預(yù)留消息的大小和頻率，使更新僅由鏈接狀態(tài)或預(yù)留更改觸發(fā)，并且支持更多類型與優(yōu)先級(jí)的流量采用不同的調(diào)度整形機(jī)制在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)傳輸，以擴(kuò)展TSN的應(yīng)用范圍。時(shí)間感知整形（TAS，time-aware shaper）和循環(huán)排隊(duì)轉(zhuǎn)發(fā)（CQF，cyclic queuing and forwarding）這兩種調(diào)度整形機(jī)制都是借助Qcc定義的完全集中式模型，根據(jù)控制管理層面所下發(fā)的門控列表來進(jìn)行時(shí)隙資源分配從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無沖突地轉(zhuǎn)發(fā)。流量傳輸?shù)馁|(zhì)量很大限度上取決于控制管理層面對(duì)資源的管理分配方案。

2.2 資源管理

為了有效地實(shí)現(xiàn)時(shí)延的嚴(yán)格限制和零擁塞損失，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)中端到端的資源進(jìn)行管理來確保流計(jì)劃傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量，并為流量提供有效的許可控制策略和安全的資源注冊(cè)機(jī)制。

IEEE 802.1Qat標(biāo)準(zhǔn)[3]定義了流預(yù)留協(xié)議（SRP，stream reservation protocol），在數(shù)據(jù)鏈路層定義了流的概念，用來解決網(wǎng)絡(luò)中音視頻實(shí)時(shí)流量與普通以太網(wǎng)流量之間的競(jìng)爭(zhēng)問題。通過協(xié)商機(jī)制，在音視頻流從源設(shè)備到不同交換機(jī)再到目的終端設(shè)備的整個(gè)路徑上預(yù)留出所需的帶寬資源，以提供端到端的服務(wù)質(zhì)量和時(shí)延保障，實(shí)現(xiàn)接納控制。

1994年，柳理華等先后通過一系列實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)出大口井不同井型的流量計(jì)算公式，研究表明進(jìn)水?dāng)嗝媸怯绊懗鏊康闹匾蛩兀L(zhǎng)方形井型結(jié)構(gòu)下的單井出水量、儲(chǔ)水量與進(jìn)水?dāng)嗝婢收汝P(guān)系，長(zhǎng)方形大口井與截流工程相結(jié)合的取水方式，可以擴(kuò)大進(jìn)水?dāng)嗝妫哂谐鏊看?、?jié)省用地和減少投資等特點(diǎn)[8-9]。1999年，沈綱從自然條件、設(shè)計(jì)情況到運(yùn)行管理方面，分別論述了對(duì)大口井出水量的影響，對(duì)大口井的管理提出了建議，給出了取水的有力條件[10]。

完全集中式模型提供了一組管理和控制全局網(wǎng)絡(luò)的工具，被看作最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信和確定性的框架，當(dāng)前IEEE 802.1標(biāo)準(zhǔn)只給出了一個(gè)集中式框架的概念，不過學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)開始提出這種架構(gòu)模型具體實(shí)現(xiàn)部署的方案。

IEEE 802.1 Qdd標(biāo)準(zhǔn)通過在鏈路本地注冊(cè)協(xié)議的基礎(chǔ)上，定義新的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)資源分配協(xié)議來更新分布式配置模型，為精確的時(shí)延計(jì)算和傳送提供支持。SPR受到底層多注冊(cè)協(xié)議（MRP，multiple registration protocol）能力的限制，不能有效地支持大型預(yù)留數(shù)據(jù)庫，在進(jìn)行分布式的流預(yù)留時(shí)，也不能支持需要通過IEEE 802.1 CB中復(fù)制冗余技術(shù)而獲得高可用性的流的預(yù)留。這些問題將在Qdd標(biāo)準(zhǔn)中得到解決，Qdd標(biāo)準(zhǔn)將完全擺脫MRP的框架限制，并設(shè)計(jì)出一個(gè)全新的流預(yù)留協(xié)議。

3 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)控制管理機(jī)制的挑戰(zhàn)

3.1 混合流量的管理

當(dāng)前TSN所實(shí)現(xiàn)傳輸可控的網(wǎng)絡(luò)配置都是基于全網(wǎng)時(shí)鐘同步和高優(yōu)先級(jí)流量的周期性的，然而在實(shí)際應(yīng)用中，不僅存在需要準(zhǔn)時(shí)、準(zhǔn)確傳輸?shù)臅r(shí)間觸發(fā)流，還存在關(guān)鍵性的事件觸發(fā)流量，而這種流量是非周期的，具有突發(fā)性，很可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)崩潰。在同時(shí)存在非周期時(shí)間敏感流的情況下，如何控制流量傳輸和資源的分配，使得既能滿足非周期流的傳輸質(zhì)量又能避免周期流傳輸受到影響，還沒有一個(gè)合適的解決方案。數(shù)據(jù)層面上的異步流量整形（ATS，asynchronous traffic shaper）不需要同步機(jī)制，通過每一跳對(duì)流進(jìn)行重新整形允許非周期流的傳輸，但面對(duì)高負(fù)荷的周期流量時(shí)性能較差[4]，還需要更多的研究和實(shí)踐。

TSN采用的流量整形與轉(zhuǎn)發(fā)大多是以IEEE 802.1Qbv為基礎(chǔ)的門控整形機(jī)制，需要在集中式的控制器中對(duì)門控列表進(jìn)行配置，從而達(dá)到端到端確定性傳輸?shù)男Ч?。?duì)于具有一定規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)來說，手動(dòng)控制太過復(fù)雜，這就需要一些算法策略來解決自動(dòng)生成門控列表這個(gè)NP完全問題，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的有效管理。資源管理策略發(fā)展如表1所示。

3.2 規(guī)模擴(kuò)大與兼容

此外，工業(yè)中大多數(shù)的通信技術(shù)采用有線的方式，然而隨著物聯(lián)網(wǎng)和3GPP 5G技術(shù)的發(fā)展，無線技術(shù)為網(wǎng)絡(luò)通信帶來了新的可能性和優(yōu)勢(shì)。無線通信賦予了終端設(shè)備靈活性并以一種經(jīng)濟(jì)有效的方式進(jìn)行連接，滿足了移動(dòng)機(jī)器人、自動(dòng)駕駛車輛、無人機(jī)等移動(dòng)設(shè)備對(duì)可靠性連接的期望。但與以太網(wǎng)相比，無線鏈路引入了一些特性，如不可靠性、不對(duì)稱鏈路時(shí)延和信道、信道干擾和來自環(huán)境的信號(hào)失真[9]。這些因素使得適用于無線網(wǎng)絡(luò)的TSN標(biāo)準(zhǔn)的研究和實(shí)現(xiàn)成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)。就管理控制方面而言，TSN與3GPP 5G的端到端集成面臨的問題在于兩者工作過程的不同：TSN在流建立之前需要得到包括鏈路速度和時(shí)延在內(nèi)的底層基礎(chǔ)設(shè)施的準(zhǔn)確信息，而3GPP 5G系統(tǒng)只有在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)建立連接后才能提供這些信息[10]。這個(gè)問題的克服還需要一個(gè)有效的方案。

地勘單位測(cè)繪成果使用與保密管理工作的探討（陳曉芳） .............................................................................5-35

此外，隨著自動(dòng)化水平的提升，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)需要突破局限在單個(gè)生產(chǎn)線或工廠的分隔現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)多個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的連接，以滿足不同業(yè)務(wù)無縫過渡、相互配合等需求[7]。這就對(duì)應(yīng)用于工業(yè)控制的TSN提出了新的挑戰(zhàn)：在控制平面實(shí)現(xiàn)多個(gè)TSN域的連接并在多個(gè)域內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。

由于在TSN被提出之前，實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，所以如今工業(yè)控制總線技術(shù)中存在很多標(biāo)準(zhǔn)互異的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)，基礎(chǔ)設(shè)備由運(yùn)行著不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成。TSN的出現(xiàn)則是為了提供一個(gè)實(shí)時(shí)開放互聯(lián)的通信網(wǎng)絡(luò)，因此TSN有必要支持遺留的工業(yè)以太網(wǎng)，同時(shí)為其擴(kuò)展提供空間[8]。在TSN實(shí)現(xiàn)遺留異構(gòu)工業(yè)以太網(wǎng)的互聯(lián)互通、實(shí)現(xiàn)互操作性需要進(jìn)一步研究TSN對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的管理。

3.3 網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同融合

面對(duì)需求千差萬別的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，TSN對(duì)資源的分配應(yīng)當(dāng)按需進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)差異性服務(wù)，使網(wǎng)絡(luò)資源得到充分有效利用。在網(wǎng)絡(luò)的鏈路層以下已經(jīng)出現(xiàn)融合切片技術(shù)的靈活以太網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鏈路層與物理層的解耦，提供了更加靈活的物理通道速率。將這種底層的資源切片技術(shù)與TSN進(jìn)行協(xié)同，來實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度、差異化的資源分配是確定性網(wǎng)絡(luò)研究的重要一步。如何在TSN中實(shí)現(xiàn)對(duì)底層資源的準(zhǔn)確細(xì)化控制也是其中需要考慮的一個(gè)問題。

集中式控制管理模型一般采用調(diào)度算法生成門控列表以控制流量的傳輸，這本質(zhì)上是一個(gè)NP完全問題，所以可控制網(wǎng)絡(luò)規(guī)模受到算法復(fù)雜性和運(yùn)行時(shí)間的限制，并且時(shí)間同步只能在一定范圍內(nèi)保證全網(wǎng)的時(shí)鐘同步。TSN在大型網(wǎng)絡(luò)和大量流的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的部署應(yīng)用仍然存在問題。

4 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)控制管理機(jī)制的研究

4.1 控制平面設(shè)計(jì)

TSN的控制管理基礎(chǔ)是IEEE 802.1Qcc定義的配置模型，CUC可應(yīng)用于用戶設(shè)備，管理和轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)請(qǐng)求，CNC可應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，計(jì)算和下發(fā)相關(guān)配置。然而802.1Qcc標(biāo)準(zhǔn)只提供了相應(yīng)的配置建議，并沒有提供實(shí)際技術(shù)的具體規(guī)范。由于TSN完全集中的配置模型與軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN，software defined network）架構(gòu)相契合，其中控制平面可以由CNC與CUC提供，因此，許多研究人員都希望通過TSN與SDN結(jié)合來具體實(shí)現(xiàn)TSN的集中式模型構(gòu)想，提供一個(gè)動(dòng)態(tài)的、集中的配置解決方案，以滿足對(duì)TSN管理控制的各種預(yù)期以及一些應(yīng)用對(duì)SDN實(shí)時(shí)性、確定性的要求?；赟DN的TSN架構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于SDN的TSN架構(gòu)Figure 4 The architecture of TSN based on SDN

在TSN中，一個(gè)影響網(wǎng)絡(luò)性能的重要因素就是時(shí)鐘的同步，而在對(duì)啟動(dòng)時(shí)間有著嚴(yán)格要求的網(wǎng)絡(luò)中，如應(yīng)用于汽車的TSN，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)一般不支持IEEE 802.1AS中的最佳主時(shí)鐘算法和時(shí)鐘生成樹等動(dòng)態(tài)算法，此環(huán)境下需要在每個(gè)設(shè)備上配置更多的參數(shù)，時(shí)鐘同步的實(shí)現(xiàn)就成為一個(gè)復(fù)雜的問題。但是使用SDN方法能夠使得該場(chǎng)景下時(shí)間同步的部署變得更加簡(jiǎn)便，Said等[11]通過NEON軟件實(shí)例化Qcc模型，在SDN控制器中指定GrandMaster標(biāo)識(shí)，獲取到拓?fù)湫畔⒅笥?jì)算時(shí)鐘生成樹從而決定所有設(shè)備中每個(gè)端口的角色，進(jìn)行相應(yīng)的配置，此外還通過一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)展示了該方案如何配置時(shí)間同步特性。

隨著“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展”、“中國(guó)制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”等國(guó)家重大戰(zhàn)略的實(shí)施，以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)以及新產(chǎn)業(yè)為特點(diǎn)的新經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展。新經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要?jiǎng)?chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和跨界整合能力的工程人才[1-2]。因此，高等工程教育迫切需要建立跨學(xué)科工程教育培養(yǎng)模式,實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)課程內(nèi)容的交叉融合，滿足新經(jīng)濟(jì)對(duì)復(fù)合型的工科人才的需求[3-4]。

對(duì)于TSN具體選用什么方法來實(shí)現(xiàn)集中的控制管理的問題，Gerhard等[12]認(rèn)為OpenFlow是解決在TSN中部署生成的路由和調(diào)度這個(gè)問題的有效方案，并且可以為終端設(shè)備到控制中心的流預(yù)留通知提供高度的靈活性。所以文獻(xiàn)[12]結(jié)合SDN提出了一種軟件定義流保留的體系架構(gòu)，使用已有的SDN控制器軟件和南向接口協(xié)議，并根據(jù)802.1Qcc定義了一個(gè)功能完整的TSN配置基礎(chǔ)設(shè)施。B?hm等[13]從靈活性的方面考慮，提出了在TSN環(huán)境下集成OpenFlow的體系架構(gòu)來解決動(dòng)態(tài)流預(yù)留的問題，使用OpenFlow作為TSN的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，并利用現(xiàn)有的開源SDN控制器進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。Hackel等[14]證明了TSN與SDN的結(jié)合能夠保障時(shí)間敏感流的傳輸質(zhì)量，在汽車網(wǎng)絡(luò)中具有巨大的潛力。

Gerhard和B?hm都詳細(xì)總結(jié)了TSN控制器需要滿足的要求以及OpenFlow滿足要求的情況。除了特定于802.1CB的報(bào)頭外，OpenFlow支持在802.1Qcc數(shù)據(jù)幀規(guī)范中可以選擇的所有可能的協(xié)議字段，因此OpenFlow不需要在流接收和發(fā)送設(shè)備上進(jìn)行流轉(zhuǎn)換，并且根據(jù)匹配標(biāo)準(zhǔn)將數(shù)據(jù)幀匹配到流規(guī)則中、出入端口的計(jì)量以及出隊(duì)列與出端口的選擇是OpenFlow里的常見操作。但是OpenFlow不支持時(shí)鐘同步，無法為IEEE 802.1 Qbv標(biāo)準(zhǔn)中的時(shí)間感知整形提供隊(duì)列管理功能。為了滿足TSN的這些需求，需要對(duì)原本的SDN進(jìn)行擴(kuò)充。例如，整形器的配置可以附加一個(gè)南向協(xié)議，如NETCONF，通過同時(shí)使用兩種不同的南向協(xié)議來實(shí)現(xiàn)部署[12]，時(shí)鐘同步則必須使用另外的協(xié)議（如精度時(shí)間協(xié)議）來實(shí)現(xiàn)[13]，在這方面Mizrahi已經(jīng)進(jìn)行了一些研究[15-16]。

TSN與5G結(jié)合成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向。Farkas等[17]認(rèn)為5G的超低時(shí)延能力可以和TSN特征很好地匹配，這兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的集成能夠提供確定性的端到端連接，并且認(rèn)為控制平面集成的第一步是基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的方法實(shí)現(xiàn)TSN的完全集中模型。在集中控制的架構(gòu)下，從TSN橋接網(wǎng)絡(luò)隱藏5G系統(tǒng)（5GS，5G system）內(nèi)部過程，把5GS看作一組TSN網(wǎng)橋，能夠接收并轉(zhuǎn)換執(zhí)行TSN在用戶和控制平面的發(fā)出信息，從而使5GS能夠于TSN域中協(xié)同運(yùn)行。

5G PPP將SDN定義為5G核心網(wǎng)絡(luò)的一種技術(shù)，同時(shí)IEEE 802.1 TSN任務(wù)組也已經(jīng)發(fā)布了TSN在前傳網(wǎng)絡(luò)方面的草案，但是這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在需要分別進(jìn)行配置，這阻礙了兩種技術(shù)的協(xié)同和5G的進(jìn)一步發(fā)展[18]。B?hm等[19]提出使用TSSDN作為TSN和SDN的統(tǒng)一控制平面，在不改變數(shù)據(jù)平面的情況下，形成一個(gè)由TSN網(wǎng)橋和SDN交換機(jī)組成的聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)，以此實(shí)現(xiàn)基于TSN的前傳網(wǎng)絡(luò)和5G PPP中基于SDN的核心網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一配置，并且通過測(cè)試平臺(tái)證明了這個(gè)概念的可行性。

患者右骶棘肌緊張，腰椎MRI示L4 ～ S1區(qū)域增粗變寬的右骶棘肌無信號(hào)異常，排除損傷可能。MRI異常影像結(jié)合臨床癥狀，分析疼痛原因如下。

此外，5G所采用的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)如何在TSN中啟用是兩者融合需要滿足的需求，目前還沒有相關(guān)的技術(shù)或標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)。Bhattacharjee等[20]提出了一種把5G中網(wǎng)絡(luò)切片控制管理系統(tǒng)與TSN控制面互聯(lián)的方法機(jī)制，在一種新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中通過5G應(yīng)用功能與TSN的CNC之間的交互，使TSN傳輸網(wǎng)絡(luò)能夠支持網(wǎng)絡(luò)切片的生命周期管理，從而能夠進(jìn)一步釋放端到端確定性通信的潛力。

4.2 資源管理策略

TSN可以實(shí)現(xiàn)多種時(shí)延要求的流量的共同傳輸，集中化的架構(gòu)提供了一個(gè)允許網(wǎng)絡(luò)配置自動(dòng)化的平臺(tái)，可以通過不同的調(diào)度方法實(shí)現(xiàn)流量傳輸控制。但是目前的方案大多數(shù)只考慮最高優(yōu)先級(jí)流量，而忽視優(yōu)先級(jí)的較低實(shí)時(shí)流量和普通以太網(wǎng)流量。研究表明[5-6]：一些高優(yōu)先級(jí)流的配置可能會(huì)導(dǎo)致較低優(yōu)先級(jí)時(shí)間敏感流，如音視頻流，無法調(diào)度，會(huì)對(duì)普通以太網(wǎng)流的服務(wù)質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響。TSN標(biāo)準(zhǔn)把流量分為7個(gè)優(yōu)先級(jí)，如何通過合適高效的控制來保證更多流的可調(diào)度性需要進(jìn)一步探討。

本次物探工作對(duì)部分具有層位代表性的巖石露頭標(biāo)本進(jìn)行了磁化率參數(shù)測(cè)定，測(cè)量工作在野外進(jìn)行，測(cè)量?jī)x器為SM-30磁化率儀。測(cè)量結(jié)果見表1。

表1 資源管理策略發(fā)展Table 1 The development of resource management strategy

Craciunas等[21]分析了影響802.1Qbv實(shí)時(shí)通信的確定性行為的關(guān)鍵功能參數(shù)，并基于這些參數(shù)的廣義配置，推導(dǎo)出了計(jì)算離線調(diào)度所需的約束條件；在交換多速率時(shí)間觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)中，使用一階邏輯約束來闡述任務(wù)調(diào)度問題，并提出使用可滿足性模理論（SMT，satisfiability modulo theories）和混合整數(shù)規(guī)劃（MIP，mixed integer programming）求解器尋找解決方案[22]。Santos等[23]使用SMT求解器為TSN交換機(jī)輸出調(diào)度方案，完成了自動(dòng)生成TSN調(diào)度方案的工具TSNSCHED。同時(shí)進(jìn)行空間隔離和時(shí)間隔離的聯(lián)合路由調(diào)度也出現(xiàn)了相關(guān)的研究[24]，可以通過為流選取剩余帶寬大的鏈路來均衡鏈路利用率以提高流量的可調(diào)度性。Huang等[25]考慮到周期性流帶寬利用率的分散性會(huì)導(dǎo)致傳輸瓶頸判斷標(biāo)準(zhǔn)缺乏準(zhǔn)確性，通過分析不同周期流的組合的帶寬利用情況，引入了一種新的度量調(diào)度瓶頸的方法并提出了一種時(shí)間觸發(fā)流感知路由算法，進(jìn)一步提高了流的可調(diào)度性。

高木洗完澡，梨花說她也要洗，高木說：“你不是洗過了嗎？”梨花又嗔怪道：“你還說呢，都被你汗?jié)窳恕！崩婊ń兴]上眼睛，她脫下衣裳，跨進(jìn)腳桶，將毛巾塞到他手上，給她搓背，但不許睜眼睛；高木手持毛巾，給她搓背時(shí)手抖得厲害。梨花突然直起身來，雙手抱住他的脖子，人就貼到人上，梨花的胸脯柔軟如棉，高木顫抖不已。梨花叫他抱到床上去。高木依舊閉著眼睛，桃花叫他東他就東，桃花叫他西他就西；桃花叫他放下來，慢慢的；但桃花躺到床上，依舊不肯松手。高木就跌倒在她身上。

大部分提出來的調(diào)度方案適用于多播，但會(huì)對(duì)流量的可調(diào)度性和執(zhí)行時(shí)間造成很大的影響，所以Yu等[26]對(duì)多播TSN中動(dòng)態(tài)應(yīng)用的調(diào)度問題進(jìn)行了相關(guān)的研究，通過引入預(yù)處理和后處理階段，在不影響求解空間的情況下對(duì)網(wǎng)絡(luò)鏈路進(jìn)行修剪和合并，減少了鏈路的數(shù)量，從而大大減少了路由和調(diào)度變量的約束數(shù)，加速了動(dòng)態(tài)應(yīng)用程序的調(diào)度合成，并且維持了可調(diào)度性和解決方案空間。

現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)景常常存在各種動(dòng)態(tài)變化，如網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浠蛄髁磕Ｊ降淖兓?。在這種情況下，假設(shè)預(yù)先知道所有流信息的離線調(diào)度算法就不再適用。所以一些聯(lián)合路由的在線增量調(diào)度的方法被提出[27-28]，以解決網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中設(shè)備或者流的增加。同時(shí)，Nasrallah等[29]對(duì)動(dòng)態(tài)流資源分配和許可控制策略進(jìn)行了相關(guān)的研究，并為存在動(dòng)態(tài)變化的TSN設(shè)計(jì)了一個(gè)CNC接口，允許在運(yùn)行時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)重新配置策略。與大多數(shù)控制管理研究不同的是，他們考慮了集中式控制模型單點(diǎn)故障、增加復(fù)雜度的缺點(diǎn)，對(duì)模型進(jìn)行了修改，將控制面和數(shù)據(jù)面進(jìn)行結(jié)合，使重配置策略能夠在完全分布式和分布式用戶/集中式網(wǎng)絡(luò)模型上運(yùn)行。

上述方法都只是從優(yōu)先級(jí)最高的時(shí)間觸發(fā)流量來考慮調(diào)度的問題，但TSN需要滿足多種流量共存的調(diào)度和時(shí)延保證。Zhao等[30]采用網(wǎng)絡(luò)演算的方法分析了幀搶占和非搶占模式下最高優(yōu)先級(jí)的時(shí)間觸發(fā)流量對(duì)較低優(yōu)先級(jí)的音視頻流傳輸?shù)挠绊?，并給出了音視頻流量保持有界時(shí)延傳輸?shù)臈l件?；诖搜芯?，Gavrilut等[5]在幀搶占和非搶占提出了一種在TSN中考慮音視頻流量的時(shí)間觸發(fā)流量聯(lián)合路由調(diào)度的方法，在保證時(shí)間觸發(fā)流量傳輸能力的同時(shí)，為音視頻流量留出更多的傳輸資源，提高了音視頻流量的可調(diào)度性。Metaal等[31]考慮到不同工業(yè)以太網(wǎng)具有不同質(zhì)量要求的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種允許這些具有不同流量模式和服務(wù)質(zhì)量要求的流量在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)共同進(jìn)行傳輸?shù)姆椒ǎ瑥亩铀倭薚SN實(shí)現(xiàn)與這些異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的集成。Chuang等[32]在TSN中同時(shí)考慮高優(yōu)先級(jí)時(shí)間觸發(fā)流與優(yōu)先級(jí)較低的音視頻流兩者調(diào)度的前提下提出了基于蟻群算法在線路由調(diào)度方法，實(shí)現(xiàn)靈活地調(diào)整或重路由。

隨著現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備向著即插即用的方向發(fā)展，對(duì)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制管理的研究也更進(jìn)一步，出現(xiàn)了TSN網(wǎng)絡(luò)的自配置的方案，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)更新來適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的變化，人工輸入?yún)?shù)的步驟可以一并省略。Gutiérrez等[33]以引入配置代理的方式向現(xiàn)有的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)配置和管理技術(shù)中添加了學(xué)習(xí)功能。配置代理包含網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)、流信息提取、生成調(diào)度和重配置4個(gè)功能模塊，通過不斷監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)并提取相關(guān)的信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前配置的及時(shí)修改。此外，Navet[34]提出了機(jī)器學(xué)習(xí)是否能夠?yàn)門SN提供一個(gè)有效的可調(diào)度性分析的問題，并對(duì)監(jiān)督式和無監(jiān)督式機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行了研究，證明了機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以較為準(zhǔn)確地對(duì)可調(diào)度性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。

TSN中的網(wǎng)絡(luò)安全問題不僅包括所傳輸數(shù)據(jù)的安全，還包括流量傳輸?shù)臅r(shí)隙和路由等信息的安全。Mahfouzi等[35]在滿足流傳輸時(shí)間約束的同時(shí)為網(wǎng)絡(luò)控制面的路由和調(diào)度提出了具有安全意識(shí)的方法，通過對(duì)資源的仔細(xì)優(yōu)化來提高網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)抵御攻擊的彈性和能力，保障了工業(yè)控制等應(yīng)用的穩(wěn)定性。

4.3 管理規(guī)模優(yōu)化

對(duì)TSN進(jìn)行資源分配、控制流量傳輸?shù)拈T控列表的自動(dòng)化配置雖然可以通過上述約束求解的調(diào)度算法解決，但求解的復(fù)雜度很高，SMT等求解器可以達(dá)到指數(shù)復(fù)雜度，當(dāng)存在超出一定數(shù)量范圍的幀和復(fù)雜的約束條件時(shí)，問題求解就變得復(fù)雜。

針對(duì)這種管理規(guī)模局限性的問題，啟發(fā)式方法或者啟發(fā)式方法與基于SMT的方法組合得到了很多的關(guān)注和研究，如利用貪婪算法[36]或遺傳算法[37]進(jìn)行調(diào)度可以得到隨流規(guī)模線性增長(zhǎng)的復(fù)雜度，還可以在減少解決方案空間與得到方案的性能之間進(jìn)行權(quán)衡，兩種基礎(chǔ)調(diào)度求解方法對(duì)比如表2所示。TSN交換機(jī)中數(shù)量有限的調(diào)度表?xiàng)l目限制了可調(diào)度的時(shí)間敏感流數(shù)量，JIN等[38]放寬了交換機(jī)端口控制的限制，使交換機(jī)無須在所有情況下都記錄每個(gè)數(shù)據(jù)包的端口控制信息，從而大大減少了流調(diào)度時(shí)所需要的調(diào)度條目表，結(jié)合快速啟動(dòng)算法消除調(diào)度沖突，擴(kuò)大了可調(diào)度的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。

(1)是整套生產(chǎn)工藝及設(shè)備設(shè)施均設(shè)置在一個(gè)密封的廠房?jī)?nèi)，廠房?jī)?nèi)新型數(shù)控反擊式破碎機(jī)、振動(dòng)篩、清堵篩、環(huán)保節(jié)能混合破碎式制砂機(jī)均設(shè)置有與其相聯(lián)的數(shù)控粉塵收除器。廠房?jī)?nèi)生產(chǎn)工藝被分隔為左右兩部分和地下裝車通道三個(gè)區(qū)域，生產(chǎn)工藝左右兩部分之間設(shè)有空中巡查玻璃通道及位于空中巡查玻璃通道一端的操控中心。廠房室內(nèi)、地下裝車通道均設(shè)置有數(shù)控粉塵收除器。形成廠內(nèi)主機(jī)設(shè)備及工廠室內(nèi)兩級(jí)負(fù)壓除塵，完全沒有粉塵的外揚(yáng)。成品粒徑可調(diào)節(jié)、粉量可控制，所以成品粒的粉量不超標(biāo)、不需水洗，無污水排放，從而避免粉塵或廢水污染環(huán)境，符合黨的十九大“綠水青山就是金山銀山”的精神。

表2 調(diào)度求解方法對(duì)比Table 2 Comparison of scheduling solution methods

Hellmanns等[39]針對(duì)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的規(guī)模問題提出了更進(jìn)一步的解決方案，設(shè)計(jì)了一種利用工廠網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)對(duì)同步流量進(jìn)行分層次分階段調(diào)度的方法。這種方法把網(wǎng)絡(luò)分割為層次化的子網(wǎng)，機(jī)器層網(wǎng)絡(luò)通過邊緣交換機(jī)連接到生產(chǎn)單元網(wǎng)絡(luò)、生產(chǎn)單元網(wǎng)絡(luò)再連接到大的環(huán)形拓?fù)渲?，形成工業(yè)骨干網(wǎng)。流量的調(diào)度分為兩個(gè)階段：子網(wǎng)內(nèi)的調(diào)度利用無等待傳輸條件下的禁忌搜索啟發(fā)式；子網(wǎng)間調(diào)度則基于模擬追蹤的方法進(jìn)行。文獻(xiàn)[39]提出的層次化調(diào)度的方法比傳統(tǒng)的方法的性能提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，顯著地?cái)U(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)控制管理的范圍。

工業(yè)4.0要求網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模跨域的通信，但目前的TSN網(wǎng)絡(luò)沒有提供彼此之間的連接與協(xié)同控制，B?hm等[7]提出了TSN網(wǎng)絡(luò)東西向接口協(xié)議的概念，TSN控制器在利用路由協(xié)議找到鄰近控制器后，通過東西向協(xié)議建立多域時(shí)間同步的基準(zhǔn)、傳遞關(guān)于流連接建立的信令，實(shí)現(xiàn)了基于IEEE 802.1 Qcc的多個(gè)TSN控制平面間的通信，以此支持跨多個(gè)TSN域的通信路徑的建立和時(shí)間敏感流量的有效傳輸。

除了在多個(gè)TSN域間進(jìn)行通信，TSN作為統(tǒng)一實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與其他遺留實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的互聯(lián)互通也是TSN需要滿足的要求。Chouksey等[40]使用多個(gè)不同廠商的TSN設(shè)備建立了一個(gè)異構(gòu)TSN測(cè)試平臺(tái)并進(jìn)行了配置和調(diào)試，總結(jié)了市場(chǎng)現(xiàn)有的TSN設(shè)備和工具以及系統(tǒng)控制存在的問題。Schriegel等[41]將多SDN域控制平面架構(gòu)應(yīng)用到TSN與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通之上，并且將遺留的以太網(wǎng)接入SDN代理，從而使其數(shù)據(jù)平面集成到SDN控制面中，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與TSN之間就可以通過SDN的東西向接口來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的通信。

將TSN集成到OPC統(tǒng)一架構(gòu)（UA，unified architecture）中是TSN被廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵步驟。OPCUA作為一個(gè)自動(dòng)化技術(shù)與機(jī)器對(duì)機(jī)器網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，允許工業(yè)設(shè)備之間跨平臺(tái)的通信，OPCUATSN則能夠使這種通信具有實(shí)時(shí)和確定性傳輸?shù)哪芰Γ材苁筎SN設(shè)備實(shí)現(xiàn)即插即用[42]。Eymüller等[43]對(duì)跨多個(gè)實(shí)時(shí)傳輸組件的運(yùn)行連續(xù)和分布式進(jìn)程的問題進(jìn)行建模，并提出了一種將TSN上的實(shí)時(shí)通信與OPC UA結(jié)合通信的方法，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)同步多個(gè)分布式OPC UA程序和交換進(jìn)程數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)作為下一代生產(chǎn)型網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分已經(jīng)得到了充分的重視，其標(biāo)準(zhǔn)的開放性為研究提供了更開闊的空間。本文結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展分析歸納了當(dāng)前時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)發(fā)展部署中其控制管理機(jī)制所面臨的挑戰(zhàn)，并對(duì)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)控制平面架構(gòu)、管理方法與策略方面的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)概述。